再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量振動(dòng)監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)位置選擇

安相璧，郭　正，陳成法，白云川，呂志明，陳　磊

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.72489部隊(duì)，濟(jì)南 250022)

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再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量振動(dòng)監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)位置選擇

安相璧1，郭正1，陳成法1，白云川1，呂志明2，陳磊1

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.72489部隊(duì)，濟(jì)南 250022)

利用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量，測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確選擇對(duì)于獲取有效信號(hào)，降低信號(hào)處理難度至關(guān)重要。在分析發(fā)動(dòng)機(jī)各激振源特性及振動(dòng)傳播途徑的基礎(chǔ)上，以康明斯6BT 5.9再制造發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，采集發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸蓋之間缸體、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸體端面等處的振動(dòng)信號(hào)，采用時(shí)域分析、時(shí)頻分析、小波包分解子帶能量等方法對(duì)磨合過(guò)程中采集的樣本信號(hào)進(jìn)行分析及特征提取。結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸壁、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸體端面處采集的信號(hào)，能夠獲得反映磨合質(zhì)量變化的振動(dòng)信息，其中，缸蓋位置獲取的振動(dòng)信息最敏感，在選擇測(cè)點(diǎn)位置時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮。

再制造發(fā)動(dòng)機(jī); 磨合質(zhì)量；振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為保證再制造發(fā)動(dòng)機(jī)抽樣驗(yàn)收工作安全、高效地進(jìn)行，首先要對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架磨合作業(yè)，由于再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品構(gòu)成的特殊性，傳統(tǒng)的磨合質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法存在成本高、效率低等缺點(diǎn)。利用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，具有安裝方便、不影響設(shè)備運(yùn)行、且對(duì)機(jī)器內(nèi)部變化敏感等優(yōu)點(diǎn)，成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)點(diǎn)位置的選擇與布置大都憑經(jīng)驗(yàn)或者其他相關(guān)研究的結(jié)論進(jìn)行，不具有針對(duì)性。本文首先基于發(fā)動(dòng)機(jī)激振源的特性和振動(dòng)傳播途徑對(duì)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行了初步的選擇，然后采集各測(cè)點(diǎn)位置處的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和時(shí)頻分析，對(duì)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)一步篩選，最后通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨合過(guò)程中各工況的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理和特征提取，確定最佳測(cè)點(diǎn)的位置。

1　測(cè)點(diǎn)位置的理論分析

發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高轉(zhuǎn)速的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械，在其往復(fù)運(yùn)動(dòng)與點(diǎn)火爆燃等過(guò)程中，內(nèi)部各部件會(huì)產(chǎn)生不同程度、不同形式的振動(dòng)，如燃燒激振、排氣門開啟時(shí)氣體節(jié)流沖擊、活塞換向?qū)Ω滋椎臎_擊等，這些內(nèi)部激勵(lì)響應(yīng)的耦合、疊加是發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)的主要來(lái)源[2-3]。測(cè)點(diǎn)的選擇基于兩個(gè)原則：一是測(cè)點(diǎn)要能夠充分反映被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)信息，且信號(hào)應(yīng)具有穩(wěn)定、信噪比高、對(duì)故障敏感等特點(diǎn)；二是測(cè)點(diǎn)位置要便于安裝信號(hào)采集設(shè)備，盡可能不影響機(jī)器運(yùn)行。

基于上述原則，按照各激振源振動(dòng)響應(yīng)的傳遞路徑，將振動(dòng)傳感器布置在距離激振源近的位置。其中，燃燒激振主要的傳遞途徑為活塞、連桿、曲軸、主軸承、機(jī)體，然而經(jīng)過(guò)多個(gè)配合件的傳遞，其信號(hào)特征已經(jīng)大大降低，因此不建議選擇這條路徑；另外燃燒引起的氣體力直接作用于缸蓋和缸套上，使其產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)進(jìn)、排氣門節(jié)流沖擊及落座沖擊都直接作用于缸蓋系統(tǒng)，因此，在燃燒室上方的缸蓋表面以及對(duì)應(yīng)活塞上止點(diǎn)附近的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體側(cè)壁處可以進(jìn)行信號(hào)采集。慣性力激勵(lì)與其類似，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表面對(duì)應(yīng)氣缸的側(cè)壁處采集較為適宜，而且應(yīng)該盡量對(duì)應(yīng)活塞換向的位置[4-6]。 綜上分析，將測(cè)點(diǎn)的位置初步選擇為發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸蓋之間的缸體、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸壁、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體端面和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架支撐座等5處[7]。

2　振動(dòng)信號(hào)的采集與分析

以康明斯6BT 5.9型再制造發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用文獻(xiàn)[5]介紹的振動(dòng)信號(hào)采集裝置進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的布置和信號(hào)的采集，采集過(guò)程由NI公司的虛擬儀器完成。圖1所示為信號(hào)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，圖2所示為測(cè)點(diǎn)位置布置圖。

圖1　振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置情況

選用ICP加速度傳感器(如圖3所示)，在轉(zhuǎn)速1 600 r/min、轉(zhuǎn)矩220 N·m的工況下進(jìn)行信號(hào)的采集，得到如圖4所示的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)周期信號(hào)[5]。

圖3　缸蓋處的ICP加速度傳感器

圖4　各采集點(diǎn)兩個(gè)周期信號(hào)時(shí)域波形

觀察圖4各信號(hào)的時(shí)域波形可以看出，經(jīng)過(guò)多個(gè)部件的傳遞，圖(e)中信號(hào)噪聲十分明顯，大大加大了信號(hào)處理的難度，故舍棄。相比之下，圖(a)、(b)、(c)、(d)中信號(hào)的信噪比良好，但圖(b)中測(cè)點(diǎn)由于位于兩個(gè)缸蓋中間，同時(shí)受兩個(gè)氣缸的激勵(lì)影響，信號(hào)成分較復(fù)雜，主要的信號(hào)成分不突出，也需舍棄。圖(a)、(c)、(d)中的信號(hào)周期性明顯，從波形中能夠看出發(fā)動(dòng)機(jī)的4個(gè)工作沖程；在信號(hào)的每一個(gè)周期內(nèi)，可以看到各個(gè)幅值不同的振動(dòng)成分，分別對(duì)應(yīng)著發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各個(gè)激勵(lì)源的振動(dòng)響應(yīng)。為進(jìn)一步分析各激勵(lì)響應(yīng)的來(lái)源，對(duì)這3處測(cè)點(diǎn)的樣本信號(hào)進(jìn)行降噪處理和小波時(shí)頻分析[8]。圖5所示為3處測(cè)點(diǎn)樣本信號(hào)降噪前后的小波時(shí)頻分析結(jié)果。

可以看出，上述3處測(cè)點(diǎn)采集的振動(dòng)信號(hào)的特征成分得到了保留和突顯，圖(a)中，1 000、2 000、 2 800 Hz等信號(hào)成分周期性出現(xiàn)，圖(b)中，800、1 300、1 600、2 200、2 600 Hz等信號(hào)成分周期性出現(xiàn)，圖(c)中，800、1 100～1 300 Hz和2 800～3 000 Hz等信號(hào)成分周期性出現(xiàn)。通過(guò)分析這些特征頻段信號(hào)成分在磨合過(guò)程中的變化規(guī)律，可以對(duì)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5　振動(dòng)信號(hào)降噪前后小波時(shí)頻分析等高線

3　磨合過(guò)程各測(cè)點(diǎn)信號(hào)分析與比較

3.1磨合過(guò)程的信號(hào)采集

對(duì)康明斯6BT 5.9再制造發(fā)動(dòng)機(jī)，按照表1磨合規(guī)范[9]進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)的磨合，經(jīng)性能檢驗(yàn)，兩個(gè)循環(huán)后再制造發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了出廠要求，因此，磨合過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)具有分析價(jià)值。為保證采集信號(hào)的一致性，統(tǒng)一在怠速工況(轉(zhuǎn)速800 r/min、負(fù)荷0)下采集缸蓋、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸體側(cè)壁、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸體端面等3處位置的振動(dòng)信號(hào)，依次設(shè)定為測(cè)點(diǎn)1、2、3。在磨合循環(huán)中，為了采集相同轉(zhuǎn)速、載荷下的振動(dòng)信號(hào)，可在各個(gè)非怠速工況的間隙調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)至怠速工況，進(jìn)行信號(hào)采集，每組信號(hào)連續(xù)采集3次。因?yàn)樾盘?hào)采集時(shí)間短且是連續(xù)的，所以對(duì)磨合過(guò)程影響不大。試驗(yàn)共采集了12個(gè)工況的信號(hào)，將其按時(shí)間順序依次編號(hào)為A～L，與磨合工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表1　康明斯6BT5.9發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收磨合規(guī)范

表2　振動(dòng)信號(hào)采集序號(hào)與磨合工況對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2基于子帶能量的信號(hào)特征提取

子帶能量法是一種在頻域中提取信號(hào)的分析方法，它能夠真實(shí)地反映發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各激勵(lì)響應(yīng)能量占總振動(dòng)能量的百分比[10]。根據(jù)不同子帶能量在再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合過(guò)程中的變化，能夠判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合質(zhì)量。同一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，燃燒激勵(lì)響應(yīng)占總能量百分比越大，其他如氣門開啟和落座等激勵(lì)響應(yīng)占總能量的百分比越小，則證明發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況越好，反之則越差；隨著磨合的進(jìn)行，當(dāng)各激勵(lì)響應(yīng)能量趨于穩(wěn)定時(shí)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，磨合質(zhì)量較好，可以進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證該機(jī)器是否達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)上節(jié)采集的振動(dòng)信號(hào)降噪處理后，采用dmey小波基進(jìn)行4層小波包分解，得到16個(gè)子帶成分，各子帶序號(hào)及其所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率范圍見(jiàn)表3，計(jì)算各子帶成分的能量，并進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果以同一條件下采集的3組振動(dòng)信號(hào)的平均值為準(zhǔn)。

表3　各子帶對(duì)應(yīng)的頻率范圍

圖6是測(cè)點(diǎn)1在800 r/min、0負(fù)荷的怠速工況下采集的12個(gè)振動(dòng)信號(hào)的子帶能量分布情況。

圖6　測(cè)點(diǎn)1各工況子帶能量分布情況

由圖6可以看出，能量主要集中在前8個(gè)子帶中，即大于3.2 kHz的激勵(lì)響應(yīng)較弱，故只需分析3.2 kHz(含)以下的信號(hào)成分。為更直觀地掌握在磨合過(guò)程中不同頻率能量的變化情況，將測(cè)點(diǎn)1信號(hào)提取的前8個(gè)子帶在不同工況能量分布連線，結(jié)果如圖7所示。

圖7　測(cè)點(diǎn)1各子帶能量比隨磨合工況變化情況

可以看出，測(cè)點(diǎn)1采集的各振動(dòng)信號(hào)能量比的峰值頻率段為1.2～1.6 kHz，這是燃燒激勵(lì)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的頻率段，說(shuō)明在怠速工況下缸蓋處振動(dòng)的主要激勵(lì)為燃燒激勵(lì)。隨著磨合的進(jìn)行，各子帶所占的能量比值逐漸變化。其中，燃燒激勵(lì)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的1.2～1.6 kHz子帶呈上升趨勢(shì)，并最終趨于穩(wěn)定。具體能量比值由初始的29.12%增加為39.74%，表明隨著磨合的進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況越來(lái)越好；排氣門開啟和落座沖擊響應(yīng)分別對(duì)應(yīng)2.0～2.4 kHz和2.4～2.8 kHz子帶，都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，具體能量比值從初始的14.56%和10.12%減小為9.92%和8.13%。另外，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3處采集的振動(dòng)信號(hào)各子帶能量比在磨合過(guò)程的變化曲線如圖8、9所示。

圖8　測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)信號(hào)各子帶能量比隨磨合工況變化情況

圖9　測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)信號(hào)子帶能量比隨磨合工況變化情況

由圖8可知，測(cè)點(diǎn)2采集的振動(dòng)信號(hào)，燃燒激勵(lì)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的1.2～1.6 kHz子帶以及活塞上止點(diǎn)換向撞擊響應(yīng)對(duì)應(yīng)的2.0～2.4 kHz子帶較之別的子帶所占能量比值要高，因此測(cè)點(diǎn)2位置振動(dòng)的主要激勵(lì)源為燃燒激勵(lì)和活塞上止點(diǎn)換向撞擊。具體能量比值方面，燃燒激勵(lì)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的1.2～1.6 kHz子帶呈上升趨勢(shì)，由23.42%增至25.64%，且變化幅度逐漸趨緩；活塞上止點(diǎn)位置換向撞擊響應(yīng)對(duì)應(yīng)的2.0～2.4 kHz子帶呈下降趨勢(shì)，由26.94%降至20.55%。

由圖9可知，測(cè)點(diǎn)3位置采集的振動(dòng)信號(hào)，各子帶成分分布比較平均，各子帶能量變化幅度較小。燃燒激勵(lì)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的800～1 200 Hz子帶所占能量比值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由初始的17.8%增至19.3%；曲軸慣性力響應(yīng)及曲軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)力響應(yīng)對(duì)應(yīng)的2 400～2 800 Hz和0～400 Hz所占能量比值呈下降趨勢(shì)，并最終分別由初始的15.96%和16.01%降至12.52%和13.31%。

3.3測(cè)點(diǎn)確定

通過(guò)上述分析知，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)缸體側(cè)壁、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)缸體端面等3個(gè)測(cè)點(diǎn)處采集的振動(dòng)信號(hào)均能找到表征發(fā)動(dòng)機(jī)磨合狀態(tài)變化的特征子帶，并且3個(gè)測(cè)點(diǎn)的分析結(jié)果具有一定的一致性。這是因?yàn)椋S著磨合過(guò)程的進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副之間配合漸趨良好，機(jī)體內(nèi)部各個(gè)激勵(lì)響應(yīng)振動(dòng)更加穩(wěn)定，與摩擦副相關(guān)的機(jī)械激勵(lì)在機(jī)體表面的振動(dòng)響應(yīng)減弱，相應(yīng)的燃燒激振響應(yīng)所占比重增強(qiáng)。

從變化幅度上來(lái)看，缸蓋處采集的信號(hào)中燃燒激勵(lì)響應(yīng)對(duì)應(yīng)能量頻帶變化幅度較大，更適用于監(jiān)測(cè)磨合質(zhì)量的變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以采集上述3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信息進(jìn)行研究分析，但如果為了簡(jiǎn)化工序、提高效率，可以只對(duì)缸蓋處的振動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合狀態(tài)。

3　結(jié)　論

以康明斯6BT 5.9型再制造發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采集并分析了發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸蓋之間缸體、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸壁等5處測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)比較磨合過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)信號(hào)的子帶能量變化發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸壁、活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體端面3個(gè)測(cè)點(diǎn)處，能夠獲得反映再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量變化的振動(dòng)信息，但缸蓋位置獲取的振動(dòng)信息最敏感，變化最清晰，在測(cè)點(diǎn)位置選擇中應(yīng)該優(yōu)先考慮。

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(編輯：關(guān)立哲)

Measuring Position Selection of Running-in Quality Vibration Monitoring for Remanufactured Engine

AN Xiangbi1, GUO Zheng1, CHEN Chengfa1, BAI Yunchuan1, LYU Zhiming2, CHEN Lei1

(1. Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2. Unit 72489, Ji’nan 250022, China)

Accurate selection of measuring points is essential for obtaining effective signal and reducing signal processing difficulty while monitoring running-in quality of remanufactured engine with vibration signal. After analyzing the characteristics of excitation sources and vibration transmission route, the paper takes Cummins 6BT5.9 type remanufactured engine as the object and collects vibration signals from cylinder head, cylinder and cylinder section, and analyzes and extracts features of sample signals with time-domain analysis, time-frequency analysis and wavelet packet decomposition sub-band energy method. The result shows that all these signals can obtain vibration information that reflects the change of running-in quality, and the vibration information from cylinder head is most sensitive, which should be taken priority while selecting measuring position.

remanufactured engine; running-in quality; vibration monitoring

2015- 07-15；

2015- 09-01．

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(40402020102).

安相璧(1963—)，男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.02.009

TK426

A

1674-2192(2016)02- 0033- 06

● 車輛工程Vehicle Engineering